陳曦 左子瑾 張昊鵬

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

太陽(yáng)電池陣是在軌衛(wèi)星的首選發(fā)電裝置，其在軌性能對(duì)衛(wèi)星工作壽命起著重要的作用[1]。目前太陽(yáng)電池陣精細(xì)化監(jiān)測(cè)及故障診斷手段較為匱乏，自動(dòng)化手段多為在衰減幅度較大前提下的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)于太陽(yáng)電池陣輸出的小幅衰降，診斷方法還集中在定期人工判讀上。這對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣故障、進(jìn)而采取應(yīng)對(duì)措施不利，發(fā)現(xiàn)時(shí)間越晚，越容易造成故障的進(jìn)一步惡化或者出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的異常而影響衛(wèi)星在軌任務(wù)。隨著衛(wèi)星在軌壽命的不斷延長(zhǎng)，亟需對(duì)太陽(yáng)電池陣開(kāi)展實(shí)時(shí)精細(xì)化的監(jiān)視與診斷，以滿足保障衛(wèi)星在軌安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

通過(guò)對(duì)近年在軌衛(wèi)星故障的梳理與分析，低軌衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣所發(fā)生的故障占比較高，突出表現(xiàn)為電池片故障致使輸出電流異常下降的問(wèn)題。為了及時(shí)有效識(shí)別并發(fā)現(xiàn)故障，本文提出了一種借鑒歸一化評(píng)估思路的診斷方法，能將太陽(yáng)電池陣輸出電流診斷精度提升至0.5 A量級(jí)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣輸出電流異常下降的要求，進(jìn)而提高應(yīng)對(duì)處置時(shí)效性，確保衛(wèi)星在軌安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)利用在軌衛(wèi)星實(shí)際遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，證明該方法有效可行。

1 太陽(yáng)電池陣異常情況分析

太陽(yáng)電池陣作為向衛(wèi)星提供能源的關(guān)鍵設(shè)備，在軌發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣輸出電流下降，累積到一定程度會(huì)影響衛(wèi)星載荷的正常使用，甚至威脅衛(wèi)星在軌運(yùn)行的安全[2]。

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池陣在軌故障的統(tǒng)計(jì)分析，引發(fā)故障的誘因之一是衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，太陽(yáng)電池陣長(zhǎng)期處在高低溫交變環(huán)境的作用。針對(duì)已發(fā)生該故障的衛(wèi)星，采取偏置飛行或太陽(yáng)電池陣偏置等措施，可以有效降低太陽(yáng)電池陣的溫度及溫升速率，一定程度控制和減緩太陽(yáng)電池陣故障的發(fā)生及惡化；針對(duì)故障較嚴(yán)重的衛(wèi)星，采取調(diào)整負(fù)載、限制使用等措施，可以有效降低衛(wèi)星進(jìn)入安全模式或不可控狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。

為了在故障發(fā)生的第一時(shí)間，盡早啟動(dòng)相應(yīng)處置措施，同時(shí)評(píng)估能源狀態(tài)，制定合理的衛(wèi)星使用策略，要求能夠?qū)υ谲壭l(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流，進(jìn)行精細(xì)化、自動(dòng)化的判讀診斷，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣故障。

綜合歷次太陽(yáng)電池陣故障的在軌數(shù)據(jù)，故障現(xiàn)象為太陽(yáng)電池陣輸出電流下降，并有2個(gè)特點(diǎn)：

(1)每次電流下降以約0.5 A(1串太陽(yáng)電池片)為最小單位，一般為1～2串；

(2)電流下降，在一定時(shí)間內(nèi)存在短期或長(zhǎng)期恢復(fù)的情況。

太陽(yáng)電池陣故障的典型異?，F(xiàn)象見(jiàn)圖1。

圖1 在軌衛(wèi)星A太陽(yáng)電池陣輸出電流

2 太陽(yáng)電池陣電流關(guān)聯(lián)診斷方法

關(guān)聯(lián)診斷方法是基于在軌衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，對(duì)指定遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化、自動(dòng)化判讀的常用診斷方法。針對(duì)太陽(yáng)陣輸出電流，有2種關(guān)聯(lián)診斷方法，即工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法和差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法。

2.1 工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法

工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法是通過(guò)表征工況的遙測(cè)參數(shù)，識(shí)別衛(wèi)星運(yùn)行在陽(yáng)照區(qū)，并處在姿態(tài)三軸穩(wěn)定對(duì)地(或?qū)θ斩ㄏ?的工況，作為判讀診斷太陽(yáng)電池陣輸出電流的有效時(shí)段，對(duì)該工況下太陽(yáng)電池陣輸出電流進(jìn)行判讀。

通過(guò)該方法首先可以將非光照(地影區(qū))條件下的無(wú)效數(shù)據(jù)(太陽(yáng)電池陣輸出電流為“0”)剔除，并且將姿態(tài)機(jī)動(dòng)引發(fā)太陽(yáng)光入射角度變化，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣輸出電流大幅波動(dòng)的情況摒除。將簡(jiǎn)單門(mén)限0至幾十(一般20～40 A)的判讀閾值大幅壓縮，有效提高判讀的精細(xì)程度。

工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法的判讀原理見(jiàn)圖2。判讀陽(yáng)照區(qū)的條件一般可選用數(shù)字(或模擬)太陽(yáng)敏感器的“見(jiàn)太陽(yáng)標(biāo)志”，或太陽(yáng)矢量方向與衛(wèi)星軌道系Z軸夾角(∠SOZ)等遙測(cè)參數(shù)；判讀姿態(tài)三軸穩(wěn)定對(duì)地的條件一般可選用控制模式字或負(fù)載電流等遙測(cè)參數(shù)。

圖2 工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法判讀原理圖

工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法可以提高太陽(yáng)電池陣輸出電流的判讀診斷精度，但是低軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，受季節(jié)、環(huán)境等因素的影響，太陽(yáng)光相對(duì)太陽(yáng)電池陣的入射強(qiáng)度和入射角度均在一定范圍內(nèi)呈周期性變化，使得輸出電流仍有6～10 A的波動(dòng)。影響因素主要包括以下3點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。

圖3 影響工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法靈敏度的因素

(1)日地距離：日地距離直接影響衛(wèi)星接收到的光強(qiáng)，日地距離R隨地球公轉(zhuǎn)成年周期變化，換算為日地距離修正因子，范圍為0.965～1.035，即日地距離對(duì)光強(qiáng)的影響，年周期波動(dòng)范圍約6%[3]。

(2)太陽(yáng)矢量與衛(wèi)星軌道面夾角(β角)：即可表征太陽(yáng)光線相對(duì)太陽(yáng)電池陣的入射角度，該角度同樣呈年周期變化。對(duì)太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，地方時(shí)不同，β角波動(dòng)范圍也不相同，一般年周期波動(dòng)范圍約10°[4]。

(3)大氣漫反射：低軌衛(wèi)星運(yùn)行在陽(yáng)照區(qū)，可以接收到地球大氣對(duì)太陽(yáng)光的漫反射，對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出電流產(chǎn)生影響。綜合在軌數(shù)據(jù)，每個(gè)軌道周期電流遙測(cè)成“駝峰狀”，即高緯度地區(qū)漫反射強(qiáng)度高，低緯度地區(qū)因太陽(yáng)翼跟蹤指向太陽(yáng)，電池陣背對(duì)地球，幾乎不受漫反射影響，電流波動(dòng)范圍一般為4～6 A[5]。

以上因素累加，使得太陽(yáng)電池陣輸出電流在軌呈周期性變化，限制了工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法的判讀靈敏度，對(duì)于太陽(yáng)電池陣損失1～2串的異常(即太陽(yáng)電池陣輸出電流下降0.5～1 A)，不能第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警提示。

2.2 差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法

差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法是對(duì)同一衛(wèi)星兩翼太陽(yáng)電池陣輸出電流遙測(cè)取差值，并將差值作為被診斷對(duì)象，判斷太陽(yáng)電池陣輸出電流是否出現(xiàn)異常衰降。

在軌運(yùn)行期間，衛(wèi)星兩太陽(yáng)翼相對(duì)位置關(guān)系穩(wěn)定，因此兩翼太陽(yáng)電池陣受光照的入射強(qiáng)度及入射角度變化同步，即輸出電流的波動(dòng)周期與幅值均應(yīng)同步。因此，通過(guò)兩翼太陽(yáng)電池陣輸出電流差值比對(duì)的方法，可以不受太陽(yáng)光照射強(qiáng)度及入射角度變化的影響，相較工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法，進(jìn)一步縮小判讀閾值區(qū)間，提高判讀的精細(xì)化程度。

該方法的判讀原理見(jiàn)圖4。對(duì)于太陽(yáng)翼安裝在星體±Y方向的衛(wèi)星，可以選取±Y太陽(yáng)電池陣輸出電流的差值作為被診斷對(duì)象。

圖4 差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法判讀原理圖

太陽(yáng)電池陣根據(jù)分流調(diào)節(jié)器單級(jí)分流調(diào)節(jié)能力設(shè)置多個(gè)分陣，分別對(duì)應(yīng)各級(jí)分流調(diào)節(jié)電路，在軌運(yùn)行期間，分流調(diào)節(jié)器根據(jù)負(fù)載和充電的需求，按順序?qū)μ?yáng)電池陣各分陣進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，各分陣會(huì)動(dòng)態(tài)工作在全供電、供電+部分分流、供電+充電、供電+調(diào)制充電+分流、調(diào)制充電+分流、全充電、全分流等多種模式下。不同工作模式會(huì)對(duì)該分陣的輸出電流帶來(lái)影響，一般波動(dòng)范圍為10%，因?yàn)榉至髡{(diào)節(jié)器會(huì)按照設(shè)定級(jí)數(shù)順序調(diào)節(jié)，因此兩翼太陽(yáng)電池陣輸出電流的差值，會(huì)因?yàn)樗鶎俑鞣株嚬ぷ髂Ｊ降牟煌l(fā)生波動(dòng)，綜合在軌數(shù)據(jù)，一般波動(dòng)范圍在2～4 A。工作模式對(duì)兩翼太陽(yáng)電池陣輸出電流差值的影響見(jiàn)圖5。

圖5 工作模式對(duì)兩翼太陽(yáng)電池陣輸出電流差值的影響

兩翼太陽(yáng)電池陣輸出電流差值的正常波動(dòng)范圍，略高于太陽(yáng)電池陣損失1串導(dǎo)致電流下降的幅值，因此利用差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法進(jìn)行判讀，依舊會(huì)使報(bào)警提示時(shí)間有所延后；并且目前在軌運(yùn)行的低軌衛(wèi)星中，只有部分衛(wèi)星分別設(shè)置了兩翼太陽(yáng)電池陣輸出電流的遙測(cè)，其余衛(wèi)星只有單一遙測(cè)，這也限制了差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法的適用范圍。

3 太陽(yáng)電池陣電流歸一化診斷方法

太陽(yáng)電池陣電流歸一化診斷方法是借鑒太陽(yáng)電池陣輸出電流歸一化評(píng)估的思路，選取衛(wèi)星在軌相同環(huán)境、工況下的太陽(yáng)電池陣輸出電流作為特征數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化各影響因素后，最終對(duì)歸一化后的結(jié)果進(jìn)行判讀診斷。

通過(guò)太陽(yáng)電池陣電流歸一化診斷方法，將可量化的長(zhǎng)周期影響因素剝離，包括β角、日地距離、溫度等；將與環(huán)境、工況相關(guān)聯(lián)，較難量化的動(dòng)態(tài)影響因素最小化，包括大氣漫反射、姿態(tài)機(jī)動(dòng)、太陽(yáng)電池陣工作狀態(tài)等。經(jīng)在軌驗(yàn)證，正常情況下，歸一化后的太陽(yáng)電池陣輸出電流特征數(shù)據(jù)，每年的標(biāo)準(zhǔn)差一般在±0.5 A以內(nèi)，將之作為被診斷對(duì)象，可以極大提高報(bào)警診斷的精度，有效滿足及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣輸出電流異常的要求。

太陽(yáng)電池陣電流歸一化診斷的數(shù)據(jù)處理方法主要包括2步：特征數(shù)據(jù)的提取與篩選、數(shù)據(jù)歸一化計(jì)算。

3.1 特征數(shù)據(jù)的提取與篩選

選取衛(wèi)星運(yùn)行在每個(gè)軌道周期陽(yáng)照區(qū)中點(diǎn)時(shí)(太陽(yáng)矢量與衛(wèi)星軌道系Z軸夾角最大)，姿態(tài)穩(wěn)定對(duì)地(或?qū)θ?并且載荷不工作狀態(tài)下的太陽(yáng)電池陣輸出電流遙測(cè)值作為特征數(shù)據(jù)，特征數(shù)據(jù)篩選見(jiàn)圖6。該時(shí)刻衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣背對(duì)地球，輸出電流受地球大氣漫反射影響最小。

圖6 太陽(yáng)電池陣輸出電流特征數(shù)據(jù)提取與篩選

3.2 數(shù)據(jù)歸一化計(jì)算

太陽(yáng)電池陣輸出電流特征值A(chǔ)n的歸一化計(jì)算共分3步，分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)光線入射角度θ、日地距離修正因子D、溫度修正因子F等3個(gè)影響因素。

(1)

式中：θ為β角度數(shù)，與太陽(yáng)電池陣安裝方式相關(guān)，具體如下[6]。

(1)太陽(yáng)電池陣沿衛(wèi)星本體Y軸布置，則θ=β；

(2)太陽(yáng)電池陣沿衛(wèi)星本體X軸布置，則θ=90°-β。

(2)

其中，日地距離修正因子D，可利用簡(jiǎn)化公式計(jì)算得到，誤差在0.06%以內(nèi)[7]。

D=1.000 11+0.034 221×cosY+0.001 28×

sinY+0.000 719×cos(2Y)+

0.000 077×sin(2Y)

(3)

式中：Y=2π×(N-1)/365，N為1年中的天數(shù)。

第三步：歸一化溫度修正因子的影響，修正后電流A?n為

(4)

式中：溫度修正因子F=Q×ΔT+1，ΔT為太陽(yáng)電池工作溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度之差(標(biāo)準(zhǔn)溫度25 ℃)，Q為太陽(yáng)電池電流溫度系數(shù)(太陽(yáng)電池的溫度改變1 ℃時(shí)，其輸出電流的影響為%/℃)[8]。

以衛(wèi)星B在2019年太陽(yáng)電池陣輸出電流為例，陽(yáng)照區(qū)姿態(tài)穩(wěn)定對(duì)地狀態(tài)下全年波動(dòng)范圍約40～47 A，經(jīng)歸一化計(jì)算后均值44.78 A，標(biāo)準(zhǔn)差0.14 A(見(jiàn)圖7)。

圖7 在軌衛(wèi)星B太陽(yáng)電池陣輸出電流歸一化計(jì)算結(jié)果

4 在軌應(yīng)用驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)時(shí)解算衛(wèi)星過(guò)境下傳的實(shí)時(shí)及延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，可以及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣掉串異常，并確定發(fā)生異常的串?dāng)?shù)。舉例說(shuō)明如下。

(1)衛(wèi)星C正常在軌運(yùn)行期間，太陽(yáng)電池陣輸出電流歸一化均值50.36 A，標(biāo)準(zhǔn)差0.15 A，根據(jù)“歸一化均值±2×標(biāo)準(zhǔn)差”設(shè)置歸一化診斷報(bào)警門(mén)限[50.06,50.66]。2019年11月18日，衛(wèi)星過(guò)境后通過(guò)解算的歸一化數(shù)據(jù)49.87 A，觸發(fā)報(bào)警。經(jīng)分析確認(rèn)該衛(wèi)星發(fā)生1串太陽(yáng)電池開(kāi)路異常，導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣輸出電流下降約0.5 A，歸一化診斷方法第一時(shí)間進(jìn)行了報(bào)警提示(見(jiàn)圖8)。

圖8 在軌衛(wèi)星C太陽(yáng)電池陣輸出電流異常下降歸一化診斷效果

(2)衛(wèi)星D正常在軌運(yùn)行期間，太陽(yáng)電池陣輸出電流歸一化均值28.93 A，標(biāo)準(zhǔn)差0.08 A，設(shè)置歸一化診斷報(bào)警門(mén)限[28.7,29.1]。2020年4月6日，衛(wèi)星過(guò)境后通過(guò)解算的歸一化數(shù)據(jù)28.38 A，觸發(fā)報(bào)警；之后頻繁出現(xiàn)報(bào)警及短時(shí)恢復(fù)情況，至5月24日?qǐng)?bào)警信息未再恢復(fù)。經(jīng)分析確認(rèn)該衛(wèi)星4月6日發(fā)生1串太陽(yáng)電池異常，但未完全失效；輸出電流出現(xiàn)波動(dòng)持續(xù)約50天后，該串電池完全開(kāi)路失效，導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣輸出電流下降約0.5 A。歸一化診斷方法對(duì)該問(wèn)題全過(guò)程進(jìn)行了報(bào)警提示(見(jiàn)圖9)。

圖9 在軌衛(wèi)星D太陽(yáng)電池陣輸出電流異常下降歸一化診斷效果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了3種低軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流異常診斷方法，包括工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法、差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法、歸一化診斷方法。其中，工況條件關(guān)聯(lián)診斷方法的診斷精度相對(duì)最低，差值比對(duì)關(guān)聯(lián)診斷方法的診斷精度有所提高，但其適用性受限于遙測(cè)參數(shù)的設(shè)置。本文提出的歸一化診斷方法，將影響診斷精度的因素通過(guò)數(shù)據(jù)篩選和歸一化計(jì)算進(jìn)行剝離，相較前2種關(guān)聯(lián)診斷方法，診斷精度大幅提高，通過(guò)在軌驗(yàn)證，能夠及時(shí)識(shí)別出太陽(yáng)電池陣因掉串導(dǎo)致輸出電流0.5 A小幅下降的異常，有效滿足對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出電流自動(dòng)化、高精度診斷的需求。